一种锌基电池负极及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种锌基电池负极及其制备和应用，通过磁控溅射的方法将金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上靶材沉积到电极基底上，获得锌基液流电池负极；通过控制制备条件及电极的材料组成，使其具有显著的结晶控制功能、优异的电子电导率、稳定的结构、高的比表面积。可将其应用于水系及有机系锌基电池。

A negative electrode of zinc based battery and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种锌基电池负极及其制备和应用
本专利技术涉及锌基电池
，特别涉及锌基电池负极。
技术介绍
随着人们对可再生能源的需求持续增加，可再生能源地生产与利用存在一系列复杂的问题，将其配备大型能量存储系统被认为是切实可行的解决方案，目前，储能电站市场前景广阔。但是，较多用于电力存储的锂电池还存在一些安全隐患，例如可能会发生爆炸，大规模储能系统的安全性问题还需解决。金属锌具有较负的电极电势、两电子转移反应、高的溶解度、快速的动力学、良好的循环性、丰富的储量及较为廉价的特性，使锌基电池具有常温常压下操作、无有害物质排放、较高的安全性、高能量转化效率及低成本，使其成为大规模储能的理想选择，锌基电池受到广泛关注，且极具应用前景。目前，金属锌被应用于诸多的储能系统中，比如Zn-ion、Zn-Ce、Zn-Cl2、Zn-I2、Zn-Br2、Zn-V、Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-O2等电池系统，其反应如下：然而，锌基电池金属锌负极却限制了其快速发展，使其大规模商业化面临巨大挑战。金属锌在负极发生溶解/沉积反应，使其在循环过程中发生严重的形状变化，对电池结构造成破坏；锌在负极集流体上快速地电化学结晶，会使金属锌在集流体上分布不均匀，使锌枝晶快速增长并刺破隔膜使电池失效；反复循环形成疏松结构并在循环的过程中脱落，导致库伦效率与循环寿命的降低。所以，对金属锌电化学结晶行为的调控，使其均匀、致密、平滑的沉积将意义重大，且极具挑战。
技术实现思路
本专利技术目的在于制备一种高性能锌电极，通过控制制备条件及电极的材料组成，使其具有显著的结晶控制功能、优异的电子电导率、稳定的结构、高的比表面积。可将其应用于水系及有机系锌基电池。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种高性能锌电极，由金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上为原料，通过磁控溅射技术，将金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上，在特定气氛下沉积到电极基底上，沉积厚度为10nm～5μm。使其可有效地防止锌电极形状的严重变化，抑制枝晶的生长，使金属锌更加致密且均匀的沉积。制备该电极的工艺过程简单，工艺环保，形貌及组成可控，容易实现批量生产，应用范围广。以此组装的电池具有很好的库伦效率与循环寿命。所述的金属为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的一种或二种以上。金属合金为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的二种或三种以上金属合金。所述特定气氛为氩气、氮气、氧气、氢气中的一种或两种。所述的电极基底包括铜箔、铝箔、镍箔、钛箔、铁箔、锌箔、银箔、金银合金箔、泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛、多孔金箔、碳纸、碳布、碳纤维、碳毡、石墨电极、玻碳电极。所述的高性能锌电极用于锌基电池中。所述的锌基电池包括水系和/或有机系锌离子电池、锌-铈电池、锌-氯电池、锌-碘电池、锌-溴电池、锌-钒电池、锌-铁电池、锌-镍电池、锌-空气电池。所述具有锌电化学结晶调控功能电极采用如下步骤制备：(1)将待镀电极基底分别用乙醇、丙酮、水清洗后，至于真空烘箱30～100℃，烘干2～12小时；(2)将步骤(1)制备的电极基体至于预先配备特定靶材的磁控溅射设备的样品台上，利用机械泵、分子泵将溅射主腔体抽至1×10-4～5×10-2Pa。关闭样品挡板，溅射气体流量控制在5～150sccm、功率为5～30W/cm2、压气维持在0.1～15Pa，预溅射2～30分钟，待辉光及电源示数相对稳定后，打开样品挡板，开始向电极基底溅射，功率控制在10～100W/cm2，溅射气体流量控制在20～150sccm、压气维持在0.1～15Pa。溅射完毕后，将样品取出即可使用。所述锌基电池包括水系和/或有机系锌离子电池、锌-铈电池、锌-氯电池、锌-碘电池、锌-溴电池、锌-钒电池、锌-铁电池、锌-镍电池、或锌-空气电池。所述锌基电池负极为具有锌电化学结晶调控功能电极，其可有效地防止锌电极形状的严重变化，抑制枝晶的生长，使金属锌更加致密且均匀的沉积。本专利技术的有益成果：1.本专利技术制备的高性能锌电极，沉积层致密、厚度可调，容易实现大批量生产。2.本专利技术采用的磁控溅射法制备具有锌电化学结晶控制功能电极，使用物理气相沉积技术，不使用有毒有害化学溶剂，生产方法环保。3.本专利技术制备的高性能锌电极表面洁净，无杂质干扰。4.本专利技术可实现对锌基电池锌沉积的有效控制，使其均匀致密的沉积，防止锌电极形状的严重变化。附图说明图1所制备的高性能锌电极(图1a与b)与未做任何处理的商业化碳毡(图1c与d)的扫描电镜图片。图2所制备的高性能锌电极(图2a与b)与未做任何处理的商业化碳毡(图2c与d)的锌沉积形貌的扫描电镜图片。图3所制备的高性能锌电极与未做任何处理的商业化碳毡负极在锌-锌液流电池中的充放电曲线对比。图4所制备的高性能锌电极与未做任何处理的商业化碳毡负极在锌-锌液流电池中的库伦效率对比。图5所制备的高性能锌电极与未做任何处理的商业化碳毡负极在锌-铁液流电池中的充放电曲线对比。图6所制备的高性能锌电极与未做任何处理的商业化碳毡负极在锌-铁液流电池中的库伦效率与能量效率对比。具体实施方式下面的实施例是对本专利技术的进一步说明，而不是限制本专利技术的范围。对比例利用不做任何处理的商业化碳毡作为负极，组装碱性锌-锌液流电池，其正极部分由锌板与碳毡构成。利用聚醚砜多孔膜作为隔膜，石墨板作为集流板，电极有效面积约为36cm2，电流密度为80mA/cm2，电解液中锌酸根浓度为0.4molL-1，NaOH浓度为2.2molL-1。用商品化不做任何处理的碳毡负极组装锌-锌对称液流电池前100次循环库伦效率低于60％。利用不做任何处理的商业化碳毡作为负极，组装碱性锌-铁液流电池，其正极部分由碳毡构成。利用聚醚砜多孔膜作为隔膜，石墨板作为集流板，电极有效面积约为36cm2，电流密度为80mA/cm2，负极电解液中锌酸根浓度为0.4molL-1，NaOH浓度为2.2molL-1；正极电解液中亚铁氰化钠浓度为0.8molL-1，KOH浓度为2.5molL-1。用商品化不做任何处理的碳毡负极组装锌-铁液流电池，连续充放电30个循环，库伦效率为85.74％，能量效率为64.31％。实施例1采用如下步骤制备获得：(1)将商业化碳毡作为负极基底依次分别用乙醇、丙酮、水清洗后，至于真空烘箱80℃，烘干4小时；(2)将步骤(1)制备的电极基体至于预先配备靶材的磁控溅射设备的样品台上，利用机械泵、分子泵将溅射主腔体抽至1×10-3Pa；关闭样品挡板，溅射气体为氩气，流量控制在50sccm、功率为10W/cm2、压气维持在1Pa，预溅射10分钟，待辉光及电源示数相对稳定后，打开样品挡板，开始向电极基底溅射，功率控制在20W/cm2，溅射气体为氩气，流量控制在5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锌基电池负极，其特征在于：通过磁控溅射的方法将金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上靶材沉积到电极基底上，获得锌基液流电池负极；/n所述的金属为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的一种或二种以上；/n金属合金为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的二种或三种以上金属合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种锌基电池负极，其特征在于：通过磁控溅射的方法将金属、金属合金、金属氧化物中的一种或二种以上靶材沉积到电极基底上，获得锌基液流电池负极；
所述的金属为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的一种或二种以上；
金属合金为镁、铝、钛、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、锆、锡、铅、铋、银中的二种或三种以上金属合金。


2.按照权利要求1所述锌基电池负极，其特征在于：所述的电极基底包括铜箔、铝箔、镍箔、钛箔、铁箔、锌箔、银箔、金银合金箔、泡沫铜、泡沫镍、泡沫钛、多孔金箔、碳纸、碳布、碳纤维、碳毡、石墨电极、玻碳电极中的一种或二种以上。


3.按照权利要求1所述锌基电池负极，其特征在于：所述沉积气氛为氩气、氮气、氧气、氢气中的一种或两种以上。


4.一种权利要求1-3任一所述锌基电池负极的制备方法，其特征在于：采用如下步骤制备获得：
(1)将待镀电极基底依次分别用乙醇、丙酮、水清洗后，至于真空烘箱30～100℃，烘干2～12小时；
(2)将步骤(1)制备的电极基体至于预先配备靶材的磁控溅射设...

【专利技术属性】
技术研发人员：李先锋，尹彦斌，张华民，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21